基于有限元分析的压力管道外漏磁检测

2021-10-09杨志军李云辉张志来高月辉

无损检测 2021年9期

杨志军，曲鹏，李云辉，张志来，高月辉

(东北石油大学机械科学与工程学院，大庆 163318)

石油化工行业中存在着大量的压力管道，其在运行过程中通常会受到内部介质和外部环境的共同作用，在长期服役后管壁极易发生腐蚀,从而影响管道的使用寿命[1-2]。因此，定期监测管道的腐蚀情况，及时发现并解决问题，减少事故的发生，延长其使用寿命，就成了企业和检测人员关心的主要问题[3]。

目前国内外有多种检测管道腐蚀缺陷的方法，其中漏磁检测技术因具有可在线检测、检测速度快、可靠性高、可实现缺陷的初步量化等优点而广泛应用于石油化工行业[4]。但目前国内对双磁化结构的管道外漏磁检测装置研究较少，故笔者从实际检测需求出发，基于漏磁检测原理，建立了双磁化结构管道外漏磁检测有限元仿真模型，并在管壁建立半球形腐蚀缺陷，研究在不同缺陷体积、管壁厚度、气隙厚度、两磁化结构张开角度等条件下的缺陷漏磁场分布情况，并利用可变径管道外漏磁检测仪进行试验，验证该装置对不同深度和不同半径腐蚀缺陷的检测效果，以减少压力管道事故的发生。

1 管道外漏磁检测的有限元分析

1.1 双磁化结构管道漏磁检测

对管道进行漏磁外检测时，一般采用单磁化结构进行检测，即磁化单元与管道组成一个磁回路，这种形式虽然能够对管道缺陷进行有效检测，但单次检测区域较小，检测效率较低。因此可以通过增加磁化结构个数的方式来增大管道的检测宽度，从而提高检测效率。

漏磁检测的双磁化结构如图1所示。该结构包括两个尺寸相同的磁化单元，极靴下端面为弧面，以保证各位置的气隙厚度相同，磁化单元下方沿管道周向分布有传感器，当管壁被磁化至饱和或近饱和状态时，如果管壁存在缺陷，就会产生漏磁通，而漏磁信号能被均布排列的传感器采集得到。由于两磁化单元间存在一定的夹角，而张开角度的变化会使两磁化结构的间距发生改变，进而可能会对局部管道正上方处缺陷漏磁场的分布产生影响。

图1 双磁化结构示意

1.2 有限元模型的建立与计算

采用ANSYS软件建立管道外漏磁检测有限元模型，首先建立局部管道模型，管道规格(外径×壁厚)为108 mm×6 mm，以管道内壁表面为坐标原点建立半球形腐蚀缺陷，半球形缺陷的半径即为缺陷深度，缺陷深度随半径的变化而变化，因此所研究的缺陷体积问题就转化成了缺陷半径(深度)的问题。在管壁外侧建立双节磁化结构，磁化结构由永磁体、极靴、衔铁等组成，与管道和气隙共同组成闭合回路[5]，两节磁化结构间的夹角为θ，极靴下端设计成与管道曲率相同的弧形，以提高模型求解的正确率，最后在模型外部建立空气罩。模型选用的模拟单元类型为SOLID 117型，定义空气与气隙的相对磁导率为1.0，永磁体的矫顽力为919 000 A·m-1[6]。建立的去除了空气罩的有限元分析模型如图2所示。

图2 有限元分析模型

对各单元进行材料属性设定后进行有限元网格的划分，在满足分析要求的基础上，采用扫掠网格划分和自由网格划分相结合的方式，可有效控制模型中各部分的网格精度，划分出来的单元为四面体和六面体单元，模型整体网格划分结果如图3所示，半球形腐蚀缺陷处的网格划分结果如图4所示。

图3 模型整体网格划分结果

图4 半球形腐蚀缺陷处网格划分结果

网格划分结束后，对模型施加合适的载荷，在ANSYS软件的各个模块中进行有限元分析时都要对其施加载荷，只是每个研究领域所施加的载荷类型有所不同。在磁场的相关研究中，因为模型中载荷是4块磁铁，所以模型无需再进行加载，该模型采用单元边法，因此边界条件只需设置为磁力线平行于模型表面即可。采用稀疏矩阵求解器对模型进行求解，得到的磁感应强度分布云图如图5所示。

图5 磁场强度分布云图

通过后处理得到的磁感应强度矢量图如图6所示，可以看出由于管道内表面存在腐蚀缺陷，所以缺陷附近的磁导率变小，磁阻变大，磁力线流向发生变化，溢出到管道上方空气中，从而产生了漏磁通。

图6 磁感应强度矢量图

2 缺陷漏磁场密度的影响因素

2.1 缺陷体积对漏磁场的影响

为分析半球形缺陷体积的变化对缺陷漏磁场的影响，利用控制变量法，在气隙厚度为1 mm，两磁化结构张开角度为30°的条件下，分别在管道内壁上建立深度(半径)为壁厚的20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%的半球形腐蚀缺陷。因管道模型的壁厚为6 mm，所以建立上述深度的缺陷时对应的缺陷半径依次为1.2 mm(20%壁厚)，1.8 mm(30%壁厚)，2.4 mm(40%壁厚)，3 mm(50%壁厚)，3.6 mm(60%壁厚)，4.2 mm(70%壁厚)和4.8 mm(80%壁厚)，改变缺陷半径，缺陷的深度和体积也会随之变化。

依次对不同体积缺陷模型进行有限元分析，提取管道外壁上方1 mm处径向和轴向路径数据后得到的缺陷漏磁场分布曲线如图7所示。

图7 不同体积缺陷的磁通量密度分布曲线

从图7可以看出磁通量密度径向分量曲线关于缺陷中点成中心对称，半球形缺陷体积增大时，缺陷漏磁通密度径向分量也增大；磁通量密度轴向曲线关于缺陷中点成轴对称，在缺陷中心处磁通量密度轴向分量达到峰值，缺陷漏磁通密度随着缺陷体积的增加而增加。

本系统软件程序全部采用C语言编写，根据系统所实现的功能可分为数据采集模块、数据处理和GPRS无线发送模块。传感器数据采集模块采集茶园环境信息，如空气温度、湿度，光照强度和土壤含水量及温度。通过单片机内数据处理，GPRS无线数传模块负责将采集到的数据通过无线的方式传送到监测中心。本系统的软件设计流程图，如图2所示。

图8为不同体积缺陷的漏磁场磁通密度轴向和径向分量峰值曲线，可以看出缺陷体积增大时，磁通量密度峰值也呈增大趋势。

图8 不同体积缺陷的磁通量密度峰值曲线

2.2 管壁厚度对漏磁场的影响

在石油化工行业中，管道规格的不同，壁厚也会存在差异，因此笔者研究了当半球形缺陷大小不变时，管壁厚度对缺陷漏磁场的影响规律，即缺陷的埋藏深度对漏磁场的影响。

建立内径为96 mm,壁厚分别为6,8,10,12 mm的管道有限元模型，在内壁建立半径为2.4 mm的半球形缺陷，气隙厚度为1 mm，分别对以上4种模型进行有限元分析，求解后在后处理器中定义一条缺陷上方1 mm处沿管道轴向方向的路径，提取该路径中的磁场数据，得到在不同壁厚条件下的缺陷处磁通量密度轴向分量和径向分量分布曲线(见图9)。

图9 不同壁厚的缺陷磁通量密度分布曲线

从图9中可以看出，当壁厚增大时，缺陷处磁通量密度径向分量绝对值呈减小趋势，从轴向分量曲线中可以看出，不仅缺陷处磁通量密度发生改变，而且在整条路径上的磁通量密度轴向分量都随着壁厚的增大而减小。因此，也可以得出磁通量密度分量随着半球形缺陷埋藏深度的增大而减小的结论。

2.3 气隙厚度对漏磁场的影响

利用控制变量法，以管道壁厚的60%为缺陷固定深度，设置两磁化结构张开角度为30°，分别建立气隙高度为14 mm时的有限元模型，研究在不同气隙厚度下的缺陷漏磁场分布规律。图10为在不同气隙厚度条件下磁通量密度径向分量和轴向分量曲线，可以看出气隙厚度增加时，磁通量轴向分量和径向分量绝对值均呈现减小趋势。

图10 不同气隙厚度的缺陷磁通量密度分布曲线

图11为不同气隙厚度情况下磁通量密度轴向和径向分量峰值曲线，可以看出磁通量密度峰值随着气隙厚度的增加而减小，说明磁化单元距离管道越远，产生的漏磁信号越弱。

图11 不同气隙厚度时的缺陷磁通量密度峰值曲线

2.4 磁化结构张开角度对漏磁场轴向分量的影响

有限元模型中两磁化结构间的夹角为θ，磁化结构张开角度示意如图12所示，为研究不同张开角度下磁通量密度的变化规律，利用控制变量法，在气隙厚度为1 mm，缺陷深度为壁厚60%的条件下，分别建立θ值为30°，32°，34°，36°，38°，40°时的有限元模型，分析不同张开角度条件下的缺陷漏磁场分布情况。

图12 磁化结构张开角度示意

由于张开角度变化时的漏磁场密度轴向分量更具研究意义，因此笔者主要研究漏磁场轴向分量的分布规律。计算结束后提取管壁上方1 mm处管道轴向的路径数据，得到的磁通量密度分布曲线如图13所示。图14为提取图13中数据得到的漏磁场轴向峰值曲线，从图13，14中可以看出，磁通量密度轴向分量曲线关于缺陷中心成轴对称，并随着θ的增加而减小，轴向分量峰值也随θ的增加呈减小趋势，说明当两磁化结构间夹角逐渐增大时，缺陷上方沿管道轴向方向的漏磁场强度逐渐减弱。

图13 不同张开角度的缺陷磁通量密度分布曲线

图14 不同张开角度时的缺陷磁通量轴向密度峰值曲线

3 检测试验

3.1 管道外漏磁检测装置

为验证部分有限元仿真结果的正确性，采用可变径管道外漏磁检测装置进行试验，图15,16分别为漏磁检测系统框图和装置实物。

图15 漏磁检测系统框图

图16 漏磁检测装置实物

该装置由两节磁化结构组成，并能通过调节磁化结构间的夹角来满足对不同管径管道的检测需求，该装置能够对直径为108143 mm的管道进行缺陷检测。将管道试件磁化到接近饱和后，使用由霍尔元件组成的传感器采集得到漏磁信号，并通过数据采集系统将磁信号转换成电压信号传输到工业计算机中，漏磁扫描分析软件能够实现数据的返放以及波形图和带图的显示，使操作人员能够快速准确地识别管道缺陷特征。

3.2 管道外漏磁检测试验

试验选取一根外径为108 mm，壁厚为8 mm的钢管，钢管内壁等距布置4个不同深度的半球形人工腐蚀缺陷，缺陷间距为150 mm，深度分别为壁厚的20%,40%,60%,80%，缺陷半径也与其深度相对应。管道试件缺陷分布如图17所示，图18为试验所用的管道试件实物，试件一侧有开孔，在正对孔的内壁有人工腐蚀缺陷。

图17 管道结构示意

图18 管道试件实物

在实验室中进行试验，检测时将管道开孔侧朝下方放置并使其固定，调节漏磁检测仪张开角度，使极靴下端的曲率与管道曲率一致，然后将其放置于管道上方，通过数据线将漏磁检测仪与工业计算机连接，将传感器的提离距离调节至1 mm，使其处于最佳的信号采集位置，控制检测仪匀速沿管道经过缺陷位置，检测时漏磁扫描分析软件中能够实时显示缺陷的波形，检测完成后保存数据。

试验所得到的数据三维波形如图19所示，图中3个坐标轴分别为漏磁装置移动的距离、通道数、漏磁信号电压，传感器由沿管道圆周方向均匀分布的16个霍尔元件组成，因此能够采集到16个通道的漏磁数据。从图19中可以看出缺陷体积越大，检测到的缺陷信号越强，缺陷处的电压幅值也越大，且4个幅值波动处的间距约为150 mm，与试件中的缺陷间距一致，因此可以从信号幅值所在通道的位置及有幅值波动的通道数目来对缺陷进行量化及定位。波形数据表明，缺陷体积越大，有幅值波动的相邻通道数目越多。规格为108 mm×8 mm(直径×壁厚)的管道的试验结果与108 mm×6 mm的管道模型的有限元仿真结果一致。